轨道交通信号基础设备应用与维护
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[相关知识]

知识点一 继电器概述

一、继电器的初步认识

在认识继电器之前,我们先来较深入地认识一下开关。开关是什么?开关是一种用来控制电路通断的器件。当我们闭合开关时,电路构成了闭合回路,于是电路中的用电设备就有电流流过,用电设备正常工作;反之,当开关处于断开状态时,电路中没有电流流通,用电设备就停止工作。开关的闭合或者断开,体现了人的控制意图,比如我们要开灯就闭合开关,要关灯就断开开关。因此,从控制的角度来说,开关又是一种能够体现人的控制意图的主令电器。那么,继电器又是何物?从本质上说,继电器就是一种开关,只不过,与普通的开关不同,继电器本身也需要消耗一定的电能才能起到开关的作用。也就是说,机械式开关的通断是通过人力来实现的,而继电器开关的通断则取决于是否通了电。由于继电器能够体现人的控制意图,因此经常被应用到各个领域的控制系统中。在铁路信号控制系统中广泛采用的继电器,称为信号继电器(见图1.1),是铁路信号控制系统中重要的基础设备之一。铁路信号继电器属于专用继电器,其外观和形状不同于普通的继电器(见图1.2)。

二、继电器的基本结构与原理

继电器的种类很多,性能也千差万别,但它们的基本结构是一致的。为了更好地理解继电器的基本结构,下面结合继电器的控制功能(以低电压控制高低压)来进行说明。如图1.3所示,一般的电磁继电器主要由电磁铁、衔铁、弹簧、触点(包括动触点和静触点)等部件组成。

图1.1 铁路信号继电器

图1.2 普通继电器

如前所述,继电器的正常工作离不开电,因此继电器的结构中就有一个消耗电能的部件——电磁铁。电磁铁与外部的低压电源、开关等构成一个电能输入回路。当输入回路中的开关闭合,电磁铁线圈就有电流通过,从而对“衔铁”产生电磁吸力,衔铁在向电磁铁方向移动时,会带动“动触点”一起移动,直至“动触点”与图中的“静触点”紧密接触在一起,此时继电器的触点开关处于闭合状态,图中的电动机得电开始转动。当断开输入回路中的开关时,电磁铁线圈没有电流通过,对衔铁的电磁吸力消失,衔铁在“弹簧”的弹力作用下恢复到原来位置,同时带动“动触点”和“静触点”分开,此时继电器的触点开关处于断开状态,图1.3中的电动机将失电停转。

需要特别说明的是,继电器结构中让衔铁恢复到原位置的力,可以是非弹簧力,如铁路常用的信号继电器一般就采用重力让衔铁恢复到原位。在这类继电器的结构中就不再需要“弹簧”了,其原理将在后续内容中进行介绍。

图1.3 继电器的基本结构

知识点二 铁路常用信号继电器的类型与结构

一、信号继电器的分类

铁路常用的信号继电器有哪些类型?如何更全面地认识这些继电器?下面就从不同的角度来充分地认识它们。

1.按动作原理分

按动作原理分,信号继电器可分为电磁继电器和感应继电器。

(1)电磁继电器是通过继电器线圈中的电流在磁路的气隙(铁心与衔铁之间)中产生电磁力,吸引衔铁,带动接点动作的。此类继电器数量最多。

(2)感应继电器是利用电流通过线圈产生的交变磁场与另一交变磁场在翼板中所感应的电流相互作用产生电磁力,使翼板转动而动作的。

2.按动作电流分

按动作电流分,信号继电器可分为直流继电器和交流继电器。

(1)直流继电器是由直流电源供电,按所通电流的方向是否有要求,又可分为无极、偏极和有极继电器。直流继电器都是电磁继电器。

(2)交流继电器是由交流电源供电,按产生电磁力原理的不同,又分为电磁式交流继电器和感应式交流继电器。其中,后者因为有两个能够产生交变磁场的电磁系统,因此又称为交流二元继电器。

整流式继电器虽然用于交流电路中,但它用整流元件将交流电整流为直流电,所以其实质上是直流继电器,是由整流电路+直流无极继电器构成的。

3.按输入量的物理性质分

按输入量的物理性质分,信号继电器可分为电流继电器和电压继电器。

(1)电流继电器反映电流的变化,它的线圈必须串联在所反映的电路中。该电路中必有被反映的器件,如电动机绕组、信号机灯泡等。

(2)电压继电器反映电压的变位,它的线圈励磁电路单独构成。

4.按动作速度分

按动作速度分,信号继电器可分为正常动作继电器和缓动继电器。

(1)正常动作继电器衔铁动作时间为0.1~0.3s。大部分信号继电器属于此类。

(2)缓动继电器衔铁动作时间超过0.3s,又分为缓吸、缓放。缓吸型继电器(如时间继电器)是利用脉冲延时电路或软件设定使之缓吸。缓放型继电器则利用短路铜环产生磁通使之缓动。

5.按接点结构分

按接点结构分,信号继电器可分为普通接点继电器和加强接点继电器。

(1)普通接点继电器具有开断功率较小的接点的能力,以满足一般信号电路的要求,多数继电器为普通接点继电器。

(2)加强接点继电器具有开断功率较大的接点的能力,以满足电压较高、电流较大的信号电路的要求。

6.按工作可靠程度分

按工作可靠程度分,信号继电器可分为安全型继电器和非安全型继电器。

(1)安全型(N型)继电器是无需借助于其他继电器,也无需对其接点在电路中的工作状态进行监督检查,其自身结构即能满足一切安全条件的继电器。其特点是:

①线圈断电时,衔铁可借助于自身重量释放,从而使前接点可靠断开;

②选用合适的接点材料,构成非熔接性前接点,或采用能防止接点熔接的特殊结构(如接熔断器、接点串联);

③当一组不应闭合的后接点仍然闭合时,结构上能防止所有前接点闭合。

(2)非安全型(C型)继电器是必须监督检查接点在电路中的工作状态,以保证安全条件的继电器。其特点是:

①由于继电器在使用时已检查了衔铁的释放,因此不必采用非熔接性接点材料;

②当一组不应闭合的前接点仍然闭合时,结构上能保证所有后接点不闭合,反之亦然。

安全型(N型)继电器主要依靠衔铁自身重力释放,故又称重力式继电器。非安全型(C型)继电器主要依靠弹簧弹力释放衔铁,故又称弹力式继电器。一般来说,N型继电器的安全性、可靠性均高于C型继电器。

二、常用信号继电器的结构

AX系列信号继电器是我国自行研制的安全型(N型)继电器,属于直流24V系列的重力式直流电磁继电器,其典型结构为无极继电器,其他各型号都是由其派生而成的。因此,绝大部分零件都能通用。

由无极继电器的结构可派生出无极加强接点、无极缓放、无极加强接点缓放、整流式、有极、有极加强、偏极、单闭磁等多个品种。大部分AX系列安全型继电器都采用插入式结构,继电器的后座带插针,使用时将继电器插入专用的插座中。

1.直流无极继电器

(1)结构

直流无极继电器的实物如图1.4所示,直流继电器的结构如图1.5所示,由产生电磁力的部件和起到开关作用的接点部件组成。其中,产生电磁力的部件包括:线圈、铁心、轭铁、衔铁;起到开关作用的部件:拉杆、动静接点组(每组包括前接点、动接点、后接点)。

图1.4 直流无极继电器实物图

图1.5 直流无极继电器机械结构图(单位:mm)

从继电器的结构图可以看出,动接点固定在拉杆上,拉杆固定在角型衔铁上,因此当衔铁在外力作用下动作时,会带动拉杆动作,拉杆再带动动接点动作。

(2)动作原理

电磁铁线圈通电,产生磁通Φ,有了磁通就会对角型衔铁产生水平方向的吸力,如果电磁吸力大于衔铁自重产生的重力,那么衔铁在L型轭铁的支撑下会产生向上翘的动作,带动拉杆向上移动,拉杆再带动动接点一起动作,使得动接点与前接点闭合,此时称之为无极继电器的吸起状态。

当线圈中的电流减小,对衔铁产生的电磁吸力小于衔铁本身的重力,则衔铁在重力的作用下产生向下落的动作,通过拉杆使得动接点也一起下落,动接点与后接点重新闭合,此时称之为无极继电器的落下状态。无极继电器在没有通电时,就是处于落下状态的。

需要强调的是,无极继电器对其线圈电流的流向没有要求,无论电流从线圈的哪个端流进,哪个端流出,总是能够产生吸引衔铁的电磁力。无极继电器的“无极”二字正是由此而来的。无极继电器的磁路如图1.6所示。

2.直流有极继电器

有极继电器根据线圈中电流极性不同而具有定位和反位两种稳定状态,这两种稳定状态在线圈中电流消失后,仍能继续保持,故又称极性保持继电器。

图1.6 无极继电器的磁路

从结构上看,有极继电器与无极继电器的结构大体相同,不同之处在于有极继电器增加了一块永久磁钢,如图1.7所示。正是因为这块永久磁钢的存在,有极继电器具有保持两种稳定状态的功能。在线圈中通以规定极性(或方向)的电流时,继电器吸起,断电后仍保持在吸起位置;通以反方向的电流时,继电器打落,断电后仍保持在打落位置。

图1.7 有极继电器反位到定位的磁路结构示意图

有极继电器衔铁位置的定位、反位规定:衔铁与铁心极靴之间的间隙最小时(即吸起状态)的位置规定为定位,此时闭合的接点叫作定位接点(符号为D,相当于前接点);衔铁与铁心极靴之前的间隙最大时(即打落状态)的位置规定为反位,此时闭合的接点叫作反位接点(符号为F,相当于后接点)。

关于有极继电器的工作原理,因涉及磁路分析较复杂,本节内容不详述,请读者参看本项目的“拓展提高”部分的相关内容。

3.直流偏极继电器

偏极继电器是为了满足信号电路中鉴别电流极性的需要设计的。它与无极继电器不同,衔铁的吸起与线圈中电流的极性有关,只有通过规定方向的电流时,衔铁才吸起,而电流方向相反时,衔铁不动作。但它又不同于有极继电器,只有一种稳态,也即衔铁靠电磁力吸起后,断电就落下,落下是偏极继电器的稳定状态。

偏极继电器的结构与无极继电器基本相同,不同之处在于,它也有一块永久磁钢,但与有极继电器相比,磁钢安装的位置不一样。有极继电器的永久磁钢安装在轭铁的位置,而偏极继电器的磁钢安装在铁心的极靴下方,使衔铁处于磁钢和铁心之间。正是由于这块永久磁钢的存在以及安装的特殊位置,使得偏极继电器有且只有一种稳定的状态,即落下状态。偏极继电器的结构如图1.8所示。

图1.8 偏极继电器的磁路结构示意图

关于偏极继电器的工作原理,因涉及磁路分析较复杂,本节内容不详述,请读者参看本项目的“拓展提高”部分的相关内容。

4.整流式继电器

整流式继电器用于交流电路中。它通过内部的半波或全波整流电路将交流电变为直流电而动作。之所以如此,是为了避免在AX系列继电器中采用结构形式完全不同的交流继电器,以提高产品的系列化、通用化程度。

整流式继电器可以看作是由整流电路和无极继电器组合而成。图1.9为整流式继电器的整流电路与继电器线圈之间的连接关系图。不同型号的整流式继电器,其连接关系图是不一样的,使用时要特别注意。

图1.9 整流式继电器整流电路与线圈及电源片的连接关系图

知识点三 信号继电器的表示

在继电器的应用中,会碰到各种继电器的图形符号及型号。如何正确地认识这些符号关系到能否正确理解继电器控制电路。那么,继电器可以用什么图形符号来表示?它的型号又该如何表达?下面将一一进行介绍。

一、继电器的图形表示

从继电器的结构知道,继电器的结构可以概括为两个部分:一部分是为提供电磁力服务的部件,称为电磁系统;另一部分是为提供接点开关服务的部件,称为接点系统。

电磁系统的关键部件就是线圈,铁路信号继电器的线圈该用什么图形符号来表示呢?请参看表1-1。继电器的接点系统关键部件就是接点,包括前接点、动接点和后接点,表1-2为继电器接点的图形符号。

表1-1 继电器线圈的图形符号表示

表1-2 继电器接点的图形符号

二、继电器的型号表示

要理解继电器型号的表示含义,首先要了解继电器型号的表示规则。安全型继电器型号一般用汉语拼音字母和数字一起进行表示,其中,字母表示继电器的种类,数字表示继电器线圈的电阻值(单位为Ω)。其次,要掌握继电器型号中常用的文字符号的含义,见表1-3。

表1-3 继电器型号中常用文字符号的含义

知识点四 安全型继电器的电气特性

不同类型继电器的特性可以用继电器的参数来反映,因此,在选用继电器时常要查阅继电器的参数。下面介绍继电器几种主要参数。

额定值——继电器在运用状态时的电压值或电流值。

吸起值——使继电器动作(动接点与前接点接触)所需要的最小电流或电压值。

工作值——使继电器动作、前接点全部闭合,并满足规定的接点压力所需的最小电流或电压值。

释放值——继电器从规定值降低到前接点断开时的电压或电流值。

转极值——有极继电器的动接点由定位转换到反位或由反位转换到定位所需要的电压或电流值。

过负载值——继电器允许接入的最大电压或电流值(一般为工作值的4倍),接入过负载值后,线圈不受损伤,电气特性也不变化。

吸起时间——从继电器线圈接通规定的电压或电流时起至全部前接点闭合的时间。

释放时间——切断供以规定的电压或电流的电源时起至全部动接点与后接点闭合的时间。

安全系数——额定值与工作值之比。

返还系数——释放值与工作值之比。此值一般在0.2~0.99之间,铁道信号用的AX型系列继电器的返还系数为0.2~0.5。在实际应用中,对继电器的返还系数有一定的要求。返还系数的大小与继电器的结构、牵引特性与机械特性的配合及磁路的磁性材料的质量等有关。